Algoritmo para estimativa da depleção natural de hidrocarbonetos de petróleo a partir de perfis verticais de temperatura

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, Florianópolis, 2019

Hidrocarbonetos de petróleo são encontrados em áreas contaminadas na forma de líquido leve de fase não aquosa (Light Non-Aqueous Phase Liquids ? LNAPL). O processo de biodegradação natural desses contaminantes é conhecido como depleção natural na zona da fonte, do inglês Natural Source Zone Depletion (NSZD). A determinação das taxas de depleção natural é fundamental para avaliar a biodegradação natural do LNAPL como uma solução eficaz, econômica e sustentável na gestão de passivos. Estudos recentes apresentam relações diretas entre a temperatura do solo como evidência da ocorrência da NSZD. Nesse contexto, o objetivo deste trabalho é apresentar um novo algoritmo para determinar a depleção da massa de LNAPL em função da variação de temperatura na fonte de contaminação. O algoritmo foi testado com dados sintéticos gerados a partir de um modelo analítico. Para avaliar a sensibilidade do algoritmo, foi simulado o efeito de aumentos de espaçamento das sondas e intervalos de medição, bem como os efeitos de erros na medição de temperatura e umidade. Para concepções com espaçamentos entre sondas de até dois metros, e com erros de medição de temperatura e umidade distribuídos normalmente com desvio padrão de 0,5ºC e 20%, respectivamente, observou-se que os resíduos de medição de calor nos 2 anos se limitaram a uma superestimativa em 10% do calor liberado. Finalmente, foram comparados os resultados do algoritmo desenvolvido com os resultados dos algoritmos propostos por Warren e Bekins (2015) e Stockwell (2015). A análise comparativa revelou que os algoritmos de Warren e Bekins (2015) e Stockwell (2015) captaram apenas 30% e 51% do calor na zona da fonte de contaminação, respectivamente. Já o novo algoritmo apresentou melhor desempenho, uma vez que considera a variação vertical dos parâmetros térmicos do meio poroso na zona da fonte. Estudos futuros preveem a validação do algoritmo a partir da medição da temperatura com instrumentação de campo em áreas experimentais contaminadas.

Abstract: Petroleum hydrocarbons are commonly found in contaminated sites as Liquid Non-Aqueous Phase Liquids (LNAPL). LNAPL natural biodegradation processes are known as Natural Source Zone Depletion (NSZD). NSZD kinetics may reveal that natural LNAPL biodegradation is the most efficient, economic and sustainable available remediation practice. Recent studies have shown that soil temperature can be used for measuring NSZD. In this paper, theoretical data on soil heat transport, related to LNAPL biodegradation rates, is presented. Under this theorical background, we present a new algorithm. This algorithm accounts for differences on soil thermal properties, with little increments on computational cost. The algorithm was first tested by using a analytical model. Then, sensitivity analysis were performed by varying sensors spacing, time space, and by adding random normal noise to temperature and moisture matrices. For sensors spacing to up to 2,00 meters and noises on temperature and moisture to up to 0,5ºC and 20%, respectively, the algorithm overestimated heat released by 10%. Finally, we compared the algorithm with those proposed by Warren and Bekins (2015) and Stockwell (2015). We observed that Warren and Bekins (2015) and Stockwell (2015) algorithms measured only 30 and 51% of the heat at the source of the contamination, respectively. The newly presented algorithm offered better performance, because it considered the vertical variation of the thermal parameters of the porous medium in the source zone. In the near future the algorithm will be validated by data collected by field instrumentation in contaminated experimental areas.